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摘要：我国是世界第一大产煤国，煤炭产业也是关系着我国国家经济命脉的重要基础产业。瓦斯引发的事故成为制约煤矿开采事业发展的一个严重问题，大力发展高产高效的瓦斯抽采技术是发展煤炭行业的重要课题。本文介绍瓦斯的基本概况，再根据我国煤层的低渗透性的地质情况，介绍我国基本情况的瓦斯治理的主要技术措施。
关键词：煤矿安全；瓦斯防治；水力压裂；地面采动井
我国是世界第一大产煤国，煤炭产业也是关系着我国国家经济命脉的重要基础产业。然而，煤炭行业又是我国安全生产形势最为严峻的行业之一，预防和控制煤矿重特大事故的发生，促进煤矿安全生产形势的根本好转已成为国家和政府层面上急需解决的重大问题，也是我国安全生产工作的核心任务。在所有煤矿灾害事故中，尤以瓦斯事故为重，其中主要以煤与瓦斯突出以及由瓦斯超限而造成的瓦斯爆炸为最主要的表现形式。同时，瓦斯也是一种清洁，高效，方便的能源。因此大力发展高产高效的瓦斯抽采技术是发展煤炭行业的重要课题。而对煤矿瓦斯分析就显得格外重要。根据我国的地质情况，介绍瓦斯基本情况和其影响因素，从技术层面上分析低渗透性煤层瓦斯治理的关键措施。
1.瓦斯概况及其影响因素
煤层瓦斯主要是腐植型有机物(植物)在成煤过程中生成的，主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。按其成因可分为2种形成方式，即生物化学作用形成和煤变质形成。瓦斯含量是指煤体或岩体在自然条件下所含的瓦斯量，包括游离态瓦斯和吸附瓦斯。游离状态，也叫自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体存在，存在于煤体或围岩的裂隙和较大孔隙内，吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部（吸收瓦斯）。煤矿瓦斯爆炸必须同时具备以下两个条件：一是空气中瓦斯含量达到爆炸范围内，即瓦斯的体积分数为5％～16％时；二是存在引爆的火源，且其时间长度大于瓦斯引火感应期长度。所以，在煤矿实际作业环境中，对瓦斯爆炸事故的防控重点应放在防止瓦斯积聚和限制火源上。
影响矿井瓦斯含量的因素有很多，概括起来可分为两类：一是影响瓦斯生成量多少的因素;二是瓦斯的保存和放散条件。矿井中煤岩体内瓦斯含量与实际瓦斯生成量之间的差别很大，不同的煤田、同一煤田不同矿井、同一矿井不同采区的瓦斯含量也是大不相同。造成这一差异的主要因素来自于地质因素，主要表现在以下几个方面：
（1）煤体自身性质。煤体对瓦斯的吸附能力主要取决于煤体的孔隙率和煤质，煤的变质程度不同，孔隙大小不同，其所含瓦斯的量就不同。成煤初期，煤的结构疏松，孔隙率大，储存游离瓦斯的空间大，瓦斯的吸附能力也很强。但此时煤质以褐煤为主，在成煤物化作用下尚未生成大量瓦斯，因此煤体中所含瓦斯量较少。在煤化地质作用下，煤质逐渐致密，孔隙率减少，吸附瓦斯的能力大大降低。随着煤的继续变质，煤体内部产生许多细微孔隙，使得煤的表面积不断扩大，至无烟煤达到最大，所以无烟煤对瓦斯的吸附能力最强。但并不是煤体吸附瓦斯能力强就一定含瓦斯量大，最终瓦斯含量除了需要煤体有瓦斯的吸附外，还需要密闭的空间使其得以保存。
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（2）煤层赋存条件。煤层中的瓦斯会受到来自地层的压力，从而使其在煤层中不断地运动，而运动的速度与煤层和围岩的渗透性有关。渗透性越大，瓦斯就越容易逸散，反之瓦斯则容易保存在煤层之中；如果煤层的围岩致密完整，煤层中的瓦斯就容易保存下来，反之，瓦斯容易逸散。瓦斯可溶解于水中，随着地下水的流动而随之流动逸散，所以地下水活动强烈的地区煤层含瓦斯量较少，而地下水活动不强烈的地区煤层瓦斯含量则相对较多。此外，水分子对瓦斯含量也有一定的影响，它可以占据煤体的裂隙和吸附表面，减弱煤对瓦斯的吸附能力。因此，煤层含水越大，瓦斯相应就越少。瓦斯还与煤层的埋藏深度和煤层倾角有关系，通常，瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增加而增大，而煤层的倾角越小，瓦斯含量则越大。对于埋藏较浅的煤层，特别是有露头存在时，煤体中的瓦斯就容易通过露头逸散到大气中去，瓦斯含量相对较小。对于煤层被较厚且不透气的厚岩层所覆盖时，瓦斯难以逸散，煤层所含的瓦斯量就比较大。如果煤层属于暴露式煤田，含煤岩系出露地表，瓦斯就很容易排放，瓦斯含量就很低。
2.低煤层透气性的测定
煤层的透气性是指在煤层的不同方位之间存在着压力差，在压力差的驱动下瓦斯流动的状态和难易程度，以透气性系数加以衡量。钻孔径向流量法是测定煤层透气性系数的方法之一，其实用性强、测定结果准确、受煤层条件限制程度低，因此目前在我国多数矿区被推广应用。用此方法测定出的煤层透气性系数可以用来评价瓦斯抽采的可能性大小。在压力差为二次方兆帕时，每日流过1m2煤截面的瓦斯量小于10m2时表明瓦斯抽采的可能性较大，如果小于0.1m2时表示煤层透气性特别差，瓦斯难以抽采。
3.低渗透煤层瓦斯治理的主要技术措施
我国煤炭存储层地质构造复杂，煤质松软，煤层渗透性低，瓦斯压力低，煤层吸附瓦斯能力高，根据我国地质情况，我国的煤层普遍属于低渗透煤层，导致抽放效果不理想。根据规定，对具有保护层开采条件的煤层应优先开采保护层使煤层整体卸压、消突;但对于不具备保护层开采条件的、单一、低渗透性煤层，在实施防突措施时，主要用强力增透措施，据国内外研究实验情况，目前对于高瓦斯低渗透性煤层的强化增透技术主要有: 采动井、水力压裂、高压水射流扩孔、水力割缝、深孔控制预裂爆破和水力挤出等技术。
3.1 地面采动井
地面钻井瓦斯抽采技术是近年来新兴的一种瓦斯预抽采技术，美国在20世纪80年代最早开始应用，是一种通过在采场地表施工垂直钻井到煤层采动可能形成的覆岩裂隙带或煤层内，通过预裂或者采动影响增强煤层的渗透性，从而使得瓦斯能够尽可能多的经由煤岩体的裂隙网络通道和钻井直接抽采到地表，以达到降低回采工作面瓦斯涌出量，缓解瓦斯超限压力和开发煤层气的目的。地面钻井抽采可以分为3类：采前预抽、采动抽采和采空区抽采，“一井三用”;采前预抽主要用于采区回采前进行煤层气开发;采动抽采主要是利用回采工作面对煤岩体扰动提高其透气性的特点增强瓦斯抽采率、缓解通风压力;采空区抽采主要是解决回采工作面推过后采空区瓦斯，以降低采空区瓦斯向回采工作面涌出的量，解决回采工作面瓦斯超限的难题。该方法是提前将预采高瓦斯煤层中的瓦斯进行释放并加以利用，降低煤层中的瓦斯含量，从根本上解决煤矿瓦斯事故。地面钻井瓦斯抽采量很大程度上由煤层的渗透性和裂隙程度来决定。地面钻井瓦斯抽采技术是一种煤与瓦斯共采且绿色环保的瓦斯抽采技术，具有很好的发展前景。但地面钻井理论上需要有大的突破，研究符合矿井实际地质、开采条件的煤与瓦斯共采理论指导实践；地面钻井抽采半径需要深入研究考察，以便合理的确定钻井的有效半径，最大化的提高煤与瓦斯共采；地面钻井的稳定性有待进一步提高，需要进行相关材料和采场覆岩移动规律分析，以便优化钻孔布置，改进钻孔结构。
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论文作者:买忠堂
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/30
标签：瓦斯论文; 煤层论文; 渗透性论文; 透气性论文; 技术论文; 含量论文; 煤矿论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;